Chimica, materiali e biotecnologie...Carmelo Pescatore A G G I OR N AM E T A R A N T I T I ! S491...

Carmelo Pescatore

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S491

Chimica, materiali e biotecnologiePer il secondo anno dei nuovi Istituti tecnici - Settore tecnologico

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Prima edizione: aprile 2011S491 - Scienze e tecnologie applicate - Chimica, materiali e biotecnologieISBN 978-88-244-5911-2

Ristampe8 7 6 5 4 3 2 1 2011 2012 2013 2014 2015 2016

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®

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Coordinamento redazionale a cura di Dario di Majo

Redazione: Umberto Marone

Grafica e copertina:

Premessa 3

��Il testo nasce a seguito della riforma degli Istituti Tecnici, che ha introdotto la disciplina Scienze e tecnologie applicate nel secondo anno degli indirizzi del settore tecnologico. Con la nuova disciplina si intende avviare i giovani allo studio delle filiere produttive di interesse e offrirne il relativo contesto specifico di applicazione agli insegnamenti/apprendimenti che vengono proposti nelle discipline generali e di indirizzo.L’intento è quello di realizzare esplicitamente l’incontro di Scienza e Tecnologia sul terreno dei processi orga-nizzativi della produzione, introdotti con graduale complessità, con la reciproca valorizzazione dei metodi di studio, delle strumentazioni tipiche e delle cognizioni proprie delle discipline scientifiche e tecnologiche stu-diate.Nello studio si rende possibile la risoluzione di problemi ricorrendo ai diversi strumenti materiali, cognitivi e metodologici tipici dell’indirizzo, scelti col criterio dell’efficacia delle soluzioni adottate.Nell’applicazione e nell’approfondimento, lo studente è messo in grado di attingere spontaneamente a tutti gli apprendimenti scientifici e tecnologici in suo possesso e di contestualizzarli e affinarli gradualmente.A tal fine si suggerisce che nell’incontro di Scienza e Tecnologia vengano riprodotte, con metodo laboratoria-le, le interazioni fra pensiero operativo e speculativo che hanno segnato storicamente le profonde trasforma-zioni intervenute, nel tempo, nei processi produttivi fino all’attuale fase di globalizzazione.La nuova disciplina ha inoltre la funzione di introdurre gli studenti, già a partire dal biennio, alle discipline di indirizzo del triennio.

Il presente volume ha la funzione di avviare gli studenti degli Istituti Tecnici Industriali alla specializzazione Chimica, materiali e biotecnologie, la quale è suddivisa nelle seguenti articolazioni:— chimica dei materiali;— biotecnologie ambientali;— biotecnologie sanitarie.

Il linguaggio del testo è semplice e scorrevole, gli argomenti sono trattati con un livello generale ed introdut-tivo. Il testo è stato calibrato e strutturato tenendo conto delle difficoltà degli studenti nelle discipline logico-scientifiche, tenendo anche conto della durata del corso, ed è stato concepito come uno strumento versatile, snello, gradevole, moderno e completo.Versatile perché, oltre alla parte prettamente nozionistica, mette in risalto i riferimenti alle applicazioni pra-tiche degli argomenti.Snello perché, pur affrontando argomenti di una certa complessità che a una discreta parte di studenti risul-ta ostica, lo fa con un linguaggio semplice e scorrevole. Gradevole perché è stato realizzato con un notevole sforzo grafico proteso a ridurre la «pesantezza visiva» della parte scritta, rendendola più accessibile.Moderno perché tiene conto delle problematiche dello studio e dell’apprendimento degli studenti di oggi.Completo perché sono stati affrontati gli elementi generali di tutti gli argomenti più importanti per l’introdu-zione alle tematiche delle discipline del triennio di specializzazione.Il grado di approfondimento è progressivo in modo tale che ogni insegnante possa calibrare lo studio in fun-zione delle sue preferenze, delle specifiche caratteristiche del gruppo classe e della tipologia della scuola.Al termine di ciascun Percorso, infine, sono previsti dei Test di autovalutazione (suddivisi nelle aree Conoscen-za, Comprensione, Applicazione, Linguaggio, Analisi e Sintesi) per valutare il grado di apprendimento dei sin-goli studenti.


4 Sommario

Sommarioarea 1 Scienze chimichepercorso 1 Introduzione alla Chimica1. La Chimica....................................................................................................................................................................... Pag. 82. La nascita della Chimica ............................................................................................................................................. » 103. Dall’Alchimia alla Chimica.......................................................................................................................................... » 114. La nascita della Chimica moderna ........................................................................................................................... » 125. Il 1800: da Alessandro Volta ai coniugi Curie ...................................................................................................... » 136. Il ‘900................................................................................................................................................................................ » 177. I premi Nobel per la Chimica..................................................................................................................................... » 208. Le articolazioni della Chimica ................................................................................................................................... » 239. L’importanza della Chimica nella società .............................................................................................................. » 25

Test di autovalutazione ............................................................................................................................................... » 26

percorso 2 Il laboratorio di Chimica1. Introduzione ................................................................................................................................................................... » 332. Attrezzature.................................................................................................................................................................... » 353. Vetreria............................................................................................................................................................................. » 384. Organizzazione e elaborazione dei dati.................................................................................................................. » 395. Le unità di misura ......................................................................................................................................................... » 416. Regole di sicurezza e dispositivi di protezione..................................................................................................... » 457. Simboli di pericolo ........................................................................................................................................................ » 468. Frasi di rischio ................................................................................................................................................................ » 479. Consigli di prudenza..................................................................................................................................................... » 48

10. Il rischio chimico ........................................................................................................................................................... » 50Test di autovalutazione ............................................................................................................................................... » 51

percorso 3 La Chimica analitica1. Introduzione ................................................................................................................................................................... » 572. Chimica analitica classica: l’analisi volumetrica ................................................................................................. » 583. Esperimento: preparazione di soluzioni circa 0,1 molare di idrossido di sodio e di acido cloridrico ... » 624. Esperimento: standardizzazione di una soluzione di idrossido di sodio circa 0,1 M ................................ » 655. Esperimento: standardizzazione di una soluzione di acido cloridrico circa 0,1 M.................................... » 706. Titolazioni complessometriche.................................................................................................................................. » 737. Esperimento: standardizzazione di una soluzione circa 0,1 M di EDTA sale disodico

e successiva diluizione alla concentrazione 0,01 M ........................................................................................... » 738. Esperimento: durezza totale dell’acqua ................................................................................................................. » 769. Esperimento: durezza permanente e temporanea dell’acqua .......................................................................... » 79

10. Esperimento: determinazione del calcio e del magnesio in un’acqua........................................................... » 8011. La chimica analitica classica: l’analisi gravimetrica .......................................................................................... » 8212. Esperimento: dosaggio dei solfati ............................................................................................................................ » 8213. Esperimento: dissoluzione di un euro cent............................................................................................................ » 8514. Esperimento: determinazione del ferro e del rame di un euro cent .............................................................. » 8615. Analisi strumentale: le tecniche ottiche ................................................................................................................ » 8916. Analisi mediante lo spettrofotometro UV-Vis ...................................................................................................... » 9117. Analisi mediante lo spettrofotometro IR ............................................................................................................... » 9318. Assorbimento atomico................................................................................................................................................. » 9419. L’analisi strumentale: tecniche cromatografiche ................................................................................................ » 9420. La gascromatografia..................................................................................................................................................... » 9521. La cromatografia liquida ad alte prestazioni ........................................................................................................ » 9722. L’analisi strumentale: metodi elettrochimici ........................................................................................................ » 97


percorso 4 La Chimica organica1. Introduzione ................................................................................................................................................................... » 1092. Idrocarburi....................................................................................................................................................................... » 111


Sommario 5

3. Nomenclatura degli idrocarburi................................................................................................................................ Pag. 1144. I gruppi funzionali ........................................................................................................................................................ » 1185. La nomenclatura dei composti organici ................................................................................................................. » 1196. Le reazioni organiche................................................................................................................................................... » 122


percorso 5 La Biochimica1. Introduzione alla Biochimica..................................................................................................................................... » 1332. La cellula.......................................................................................................................................................................... » 1343. Gli aldopentosi e le basi azotate .............................................................................................................................. » 1354. Gli enzimi ........................................................................................................................................................................ » 1375. Altre proprietà degli enzimi ....................................................................................................................................... » 1406. Energia ............................................................................................................................................................................. » 1437. Il metabolismo dei carboidrati .................................................................................................................................. » 1468. Il metabolismo dei grassi ............................................................................................................................................ » 1539. Il metabolismo delle proteine.................................................................................................................................... » 157

10. Ormoni.............................................................................................................................................................................. » 16011. Acidi nucleici .................................................................................................................................................................. » 16012. Replicazione del DNA, RNA e sintesi proteica...................................................................................................... » 16413. La PCR............................................................................................................................................................................... » 167


area 2 Materialipercorso 1 Tecnologie chimiche industriali1. Introduzione ................................................................................................................................................................... » 1772. La simbologia UNICHIM.............................................................................................................................................. » 1773. Tecnologia chimica industriale.................................................................................................................................. » 1894. Gli impianti chimici ...................................................................................................................................................... » 190


area 3 Biotecnologiepercorso 1 Biotecnologie ambientali1. Introduzione ................................................................................................................................................................... » 1992. L’acqua: generalità........................................................................................................................................................ » 1993. Il ciclo dell’acqua .......................................................................................................................................................... » 2014. I tipi di acqua ................................................................................................................................................................. » 2015. Parametri della qualità dell’acqua ........................................................................................................................... » 2016. Utilizzi dell’acqua.......................................................................................................................................................... » 2057. Trattamenti delle acque reflue.................................................................................................................................. » 2068. L’inquinamento delle acque ....................................................................................................................................... » 2099. L’aria.................................................................................................................................................................................. » 210

10. L’importanza vitale dell’atmosfera........................................................................................................................... » 21211. L’inquinamento atmosferico ...................................................................................................................................... » 21412. Le piogge acide .............................................................................................................................................................. » 21813. Il suolo e i suoi inquinanti.......................................................................................................................................... » 22114. I residui solidi urbani (RSU)........................................................................................................................................ » 22315. L’amianto ......................................................................................................................................................................... » 224


percorso 2 Biotecnologie sanitarie1. Introduzione ................................................................................................................................................................... » 2312. Igiene ................................................................................................................................................................................ » 2313. Anatomia ......................................................................................................................................................................... » 2324. Patologia.......................................................................................................................................................................... » 2345. Microbiologia ................................................................................................................................................................. » 2346. Farmaci............................................................................................................................................................................. » 2347. Alimenti............................................................................................................................................................................ » 236


appendice .................................................................................................................................................................... » 245


area 1Scienze chimiche

percorso 1 Introduzione alla Chimica

percorso 2 Il laboratorio di Chimica

percorso 3 La Chimica analitica

percorso 4 La Chimica organica

percorso 5 La Biochimica

Prerequisiti• Abilità nella comprensione del testo• Abilità logico-matematiche di base• Abilità di calcolo• Conoscenze scientifiche di base

ObiettiviAcquisizione di conoscenze e competenze di base in:• Chimica generale• Laboratorio• Chimica analitica• Biochimica


8 Area 1 • Scienze chimiche

Percorso 1Introduzione alla Chimica

prerequisiti• Abilità nella comprensione del testo• Abilità logico-matematiche di base• Abilità di calcolo• Conoscenze scientifiche di base

obiettiviAcquisizione delle conoscenze e delle competenze introduttive alla Chimica

1. La Chimica

La Chimica è una scienza che studia la materia e le sue trasformazioni chimiche. I principali protagonistisono gli aatomi, particelle piccolissime che compongono tutta la materia. Essi vengono anche detti eele-menti, e sono raccolti e ordinati nella tavola periodica (figura 1) in colonne verticali (ggruppi) e righe oriz-zontali (pperiodi).

Figura 1 La tavola periodica degli elementi


Gli atomi sono particelle molto piccole: il loro diametro è un decimiliardesimo di metro, grandezza pari aun angstrom (1Å = 10-10 m), e la loro massa è di circa 10-24 g.Altre protagoniste della Chimica sono le mmolecole, che possono essere definite come aaggregati stabili diatomi. Esse si rappresentano con delle formule che possono essere di vario tipo: bbrute (figura 2), mminime(figura 3), rrazionali e ddi struttura (figura 4). Nella figura 2 è mostrata la formula bruta della molecola del glucosio, formata dai simboli di carbonio (C),idrogeno (H) e ossigeno ( O) e i relativi coefficienti di formula (6, 12 e 6). Nella figura 3 è mostrata la for-mula minima del glucosio, e nella figura 4 la formula razionale e quella di struttura della molecola del me-tanolo.

Le trasformazioni chimiche vengono dette rreazioni, i cui protagonisti sono le sostanze di partenza (rrea-genti) e le sostanze finali (pprodotti) separate da una freccia che ha il significato di “si trasformano in”(figura 5).

Nella figura 6 è rappresentata una reazione chimica: l’idrossido d’alluminio [Al(OH)3] reagisce (+) con l’acidosolforico (H2SO4) per formare (�) il solfato d’alluminio [Al2(SO4)3] e l’acqua (H2O). Nella figura 6 i coefficientidi formula sono di colore nero, mentre in rosso notiamo i ccoefficienti stechiometrici, i quali rappresen-tano il numero di molecole (o di atomi) che prendono parte alla reazione.

CH4 + 2O2 CO2 + 2 H2O

reagenti prodotti

metano ossigeno anidride carbonica acqua

Figura 5 Rappresentazione di una reazione chimica

Figura 2 Rappresentazione della formula bruta del glucosio

C6H12O6

Coefficiente di formuladel carbonio 6 atomi

Coefficiente di formuladell’idrogeno 12 atomi

Coefficiente di formuladell’ossigeno 6 atomi

Figura 3 Rappresentazione della formula minima delglucosio

Figura 4 Rappresentazione della formula razionalee della formula di struttura del metanolo

C6H12O6 : 6 = CH2O

CH3–OH H|

H—C—O—H|H

Formula bruta Formula minima

Formula razionale Formula di struttura

Percorso 1 • Introduzione alla Chimica 9


La materia si può trovare in natura come ssostanza (raramente) quando essa è composta da una sola mo-lecola e ha un grado di purezza vicino al 100% non essendo contaminata da altre sostanze, o come mmi-scuglio, ovvero insieme di due o più sostanze.Alla luce di quanto detto apparirà più chiara la definizione iniziale di Chimica come scienza naturale chestudia le trasformazioni chimiche della materia: si tratta di tutte quelle trasformazioni che implicano unamodificazione della struttura molecolare della stessa materia (figure 5 e 6).La Chimica moderna si avvale di strumenti molto potenti capaci di indagare le parti più intime della mate-ria. La conoscenza della struttura atomica ha permesso di interpretare i meccanismi che stanno alla basedelle reazioni, e ciò ha contribuito in maniera decisiva allo ssviluppo industriale e tecnologico, consen-tendo la produzione di materiali sempre più preformanti.

2. La nascita della Chimica

Stabilire quale sia stata la prima reazione chimica prodotta dall’uomo non è cosa facile: potrebbe essere lascoperta del fuoco, la salagione dei cibi o altro ancora. La scoperta che sicuramente per prima ha modificato la società segnando il passaggio dalla preistoria al-l’età moderna è stata quella del rame e delle leghe metalliche (vedi tabella 1).

Tabella 1 La scoperta degli elementi più antichi

Figura 6 Rappresentazione di una reazione chimica

2Al(OH)3 + 3H2SO4 � Al2(SO4)3 + 6H2O

Coefficienti di formula

Coefficienti stechiometrici

Elemento Numero atomico Anno della scoperta Scopritore

Carbonio 6 Antichità Sconosciuto

Oro 79 Antichità Sconosciuto

Argento 47 Antichità Sconosciuto

Rame 29 Antichità Sconosciuto

Zolfo 16 Antichità Sconosciuto

Stagno 50 Antichità Sconosciuto

Piombo 82 Antichità Sconosciuto

Mercurio 80 Antichità Sconosciuto

Ferro 26 Antichità Sconosciuto

Arsenico 33 XV Sec. Sconosciuto

Antimonio 51 XV Sec. Sconosciuto



La prima lega metallica prodotta intorno al 4.000 a.C. dai Sumeri e dagliEgizi fu il bbronzo (rame e stagno). Nel 1.500 a.C. circa gli Ittiti scopri-rono il fferro, o meglio l’aacciaio (dal latino acies = filo della spada). Ifabbri divennero in breve il fulcro delle società antiche, conservandoquesto primato fino a pochi secoli fa, grazie all’innovazione rivoluzio-naria rappresentata dal passaggio dalla pietra di selce ai metalli, checonsentì la realizzazione di una grande quantità di manufatti di ottimaqualità. Per capire l’importanza dei fabbri nella società antica si pensiche il cognome «fabbro», nelle sue varie traduzioni, è il cognome più dif-fuso in Europa. Un grande contributo alla conoscenza della materia si ebbe grazie ai fi-losofi greci che, attraverso le loro brillanti intuizioni, capirono che lamateria è composta da particelle microscopiche. Le interpretazioni teoriche sulla struttura della materia cominciaronocon Talete (640 – 546 a.C.), il quale considerò l’aacqua come elementocostitutivo di base della natura. Anassimene, intorno al 570 a.C., af-fermò che l’elemento che componeva l’universo era l’aaria, mentre Era-clito riteneva che la sostanza capace di trasformare tutto fosse il ffuoco;Empedocle, infine, riteneva che la tterra fosse l’elemento principale checaratterizzava la natura.

Il passo successivo fu fatto da Aristotele che unificò le teorie precedenti con quella che sarebbe poi pas-sata alla storia come ddottrina dei quattro elementi: aria, acqua fuoco e terra.Ma i filosofi che dettero un notevole impulso teorico alla comprensione della struttura della materia furonogli aatomisti greci come Leucippo e Democrito (figura 7).Essi ritenevano che la materia, nella sua parte più intima, fosse composta da particelle talmente piccole chenon potessero essere ulteriormente divise. Queste particelle furono chiamate aatomi (dal greco àtomos, ossiaindivisibile).

3. Dall’Alchimia alla Chimica

La parola «Chimica» deriva dal termine khemeia, che nel III Sec. avanti Cristo sintetizzava l’unione delle co-noscenze egiziane in tema di Chimica applicata con quelle teoriche greche. Questa fusione di culture ebbeluogo grazie alle conquiste dell’imperatore macedone Alessandro Magno. La khemeia aveva, però, più unaconnotazione religiosa che scientifica.Nel periodo romano La Chimica non ebbe un significativo sviluppo, poiché veniva ritenuta, soprattutto conl’affermarsi del cristianesimo, una scienza pagana.Nel VII Sec. dopo Cristo furono gli Arabi a dare nuovo impulso alla Chimica e la khemeia si trasformò in al-kimiya da cui, nel Medioevo, l’aalchimia. Il più importante alchimista arabo fu Giabir ibn-Hayyan, più tardichiamato in Europa GGeber. Egli produsse il piombo bianco, concentrò – distillandolo – l’acido acetico e sin-tetizzò per primo l’acido nitrico diluito. Geber ipotizzò che si potessero trasmutare i metalli meno nobili inoro con una sostanza secca detta in greco xerion (asciutto), da cui l’arabo al-iksir e infine, in Europa, eeli-sir, divenuto noto nel nostro continente anche come ppietra filosofale. Questo elisir avrebbe dovuto avereanche il potere di allungare la vita (elisir di lunga vita). Il pensiero teorico di Geber condizionò tutta l’al-chimia medievale. Essa fu costruita su due pilastri, uno di tipo mmineralogico, che aveva come obbiettivo latrasmutazione degli elementi in oro, e l’altro di tipo mmedico, essendo basato sulla ricerca di un elisir mira-coloso che guarisse tutti i mali.Dopo l’anno Mille le CCrociate misero in contatto gli europei con gli arabi, permettendo ai primi di acqui-sire le conoscenze alchemiche dei secondi.Grazie a ciò l’Europa conobbe un grande sviluppo dell’alchimia. Nel XIII Sec. Alberto di Bollstadt scoprì l’arse-nico e nel 1300 un alchimista spagnolo, noto come il «falso Geber», produsse per primo l’acido solforico e l’acidonitrico concentrato. Con questi acidi forti si poterono realizzare reazioni impensabili fino a quel momento. Le scoperte di altri continenti e l’invenzione della stampa contribuirono sensibilmente allo sviluppo dellaChimica moderna e alla fine dell’alchimia. Il XVI Sec. fu determinante grazie ai contributi fondamentali del

Figura 7 Democrito (460 a.C. –370 a.C.)



tedesco Georg Bauer, detto AAgricola (bauer in tedesco e agricola in latino significano contadino in ita-liano) e dello svizzero Theophrastus Bombastus von Hoheneim, detto PParacelso (in quanto «migliore del me-dico dell’antica Roma Celso»).Agricola scrisse il «De Re Metallica», destinato a diventare una pietra miliare della tecnologia metallurgica.Paracelso sostenne l’assurdità scientifica della ricerca della trasmutazione dei metalli in oro e viceversadell’importanza della ricerca medica tesa alla scoperta di sostanze medicamentose efficaci nella cura dellemalattie. Crollavano così di fatto i due tradizionali pilastri dell’alchimia.

4. La nascita della Chimica moderna

Il XVII e il XVIII Sec. furono caratterizzati dallo studio dei gas e dalle re-lative leggi di Boyle (1622), di Charles (1787), di Gay-Lussac (1793) edalla teoria del flogisto (1780) di Georg Ernest Stahl. Attraverso que-st’ultima teoria (il termine flogisto deriva dal greco e significa incen-diare) si volevano spiegare i meccanismi che stanno alla base dellecalcinazioni, cioè quelle reazioni che, attraverso fonti di calore ad altatemperatura come fornaci o lenti ustorie, trasformano i metalli in os-sidi (ccalci).Secondo questa teoria i combustibili erano sostanze ricche di flogisto,e quando bruciavano lo cedevano all’aria, dunque le ceneri non ne con-tenevano più. I metalli avevano lo stesso comportamento dei combu-stibili e le calci, prive di flogisto, non potevano essere più combuste. Lateoria considerava l’aria solo una sostanza mediatrice di flogisto e noncoinvolta direttamente nella combustione. La teoria ebbe un grandeseguito negli studiosi dell’epoca.Essa però era fallace soprattutto perché non teneva conto degli aspettiquantitativi che caratterizzavano le combustioni e le calcinazioni. Lateoria infatti non spiegava come mai la calce metallica pesasse più delmetallo di partenza, ma per la quasi totalità dei chimici dell’epoca gli aspetti quantitativi di una reazionechimica erano fastidiosi e insignificanti dettagli.Il ‘700 fu un Secolo ricco di scoperte scientifiche, si scoprirono numerosi elementi chimici (vedi tabella 2)e si posero le basi per la Chimica moderna. Un contributo decisivo in questo senso fu fornito da AAntoineLaurent Lavoisier, il quale stroncò definitivamente la stravagante teoria del flogisto.

SEGUE


Platino 78 1735 Antonio de Ulloa

Cobalto 27 1737 George Brandt

Zinco 30 1746 Margraaf

Nichel 28 1751 Alex Fredrik Cronstedt

Bismuto 83 1753 Claude Geoffroy

Idrogeno 1 1766 Henry Cavendish

Azoto 7 1772 Daniel Rutherford

Cloro 17 1774 Carl Wilhelm Scheele

Manganese 25 1774 Johann Gahn

Ossigeno 8 1777 Joseph Priestley

Figura 8 Robert Boyle (1627 –1691)



Tabella 2 La scoperta degli elementi nel 1700

Lavoisier analizzò gli studi sui gas e misurò i fenomeni chimici con ipiù accurati strumenti dell’epoca. Egli è ricordato soprattutto per averformulato la llegge della conservazione della massa la quale afferma,nella sua versione più «poetica», cche nulla si crea, nulla si distruggema tutto si trasforma.Il vero significato della legge è che in una reazione chimica la massacomplessiva dei reagenti iniziali corrisponde a quella dei prodotti fi-nali.L’importanza dell’opera di Lavoisier nello sviluppo della Chimica nonrisiede tuttavia solo nelle sue scoperte. Come Galileo Galilei è conside-rato il padre della Fisica moderna perché per primo mise al centro dellaricerca scientifica l’osservazione del fenomeno naturale, la sperimen-tazione e la misura, così Lavoisier è considerato il padre della Chimicamoderna perché per primo dimostrò l’importanza della sperimentazionee della misura nei fenomeni chimici.Il pensiero di Lavoisier è raccolto nel libro, da lui pubblicato nel 1789,dal titolo «Traité Élémentaire de Chimie», ritenuto il primo libro di Chi-mica moderna.

5. Il 1800: da Alessandro Volta ai coniugi Curie

Il XIX Sec. si apre con l’invenzione della ppila da parte di Alessandro Volta (1800), che segna contempora-neamente la nascita dell’EElettrochimica e la dimostrazione definitiva della natura elettrica della materia.Qualche anno più tardi, nel 1805, John Dalton annuncia la prima teoria atomica moderna. Egli riprende gliantichi concetti degli atomisti greci Leucippo e Democrito, riproponendo gli atomi indivisibili, individuatinegli elementi scoperti, come costituenti della materia.Nel 1811 l’italiano Amedeo Avogadro introduce il concetto di molecola come aggregato stabile di atomi enel 1826 lo svedese Jöns Jacob Berzelius pubblica la tavola dei pesi atomici.


Molibdeno 42 1782Peter Jacob Hjelm, Carl

Wilhelm Scheele

Tellurio 52 1782 Mueller von Reichenstein

Tungsteno 74 1783Fausto de Elhuyar, Juan

Jose de Elhuyar

Uranio 92 1789 Martin Heinrich Klaproth

Zirconio 40 1789 Martin Heinrich Klaproth

Titanio 22 1791 William Gregor

Ittrio 39 1794 Johann Gadolin

Berillio 4 1797 Louis Nicolas Vauquelin-

Cromo 24 1797 Louis Nicolas Vauquelin

Figura 9 Antoine Laurent Lavoisier(1743 – 1794)



SEGUE


Niobio 41 1801 Charles Hatchett

Tantalio 73 1802 Anders Ekeberg

Palladio 46 1803 William Hyde Wollaston

Rodio 45 1803 William Hyde Wollaston

Cerio 58 1803Wilhelm von Hisinger, Jöns

Jacob Berzelius, MartinHeinrich Klaproth

Osmio 76 1804 Smithson Tennant

Iridio 77 1804 Smithson Tennant

Potassio 19 1807 Humphry Davy

Sodio 11 1807 Humphry Davy

Bario 56 1808 Humphry Davy

Stronzio 38 1808 Humphry Davy

Calcio 20 1808 Humphry Davy

Magnesio 12 1808 Humphry Davy

Boro 5 1808Humphry Davy, Joseph-Louis Gay-Lussac, Louis

Jacques Thenard

Iodio 53 1811 Bernard Courtois

Litio 3 1817 Johan August Arfvedson

Cadmio 48 1817 Friedrich Strohmeyer

Selenio 34 1817 Jöns Jacob Berzelius

Silicio 14 1824 Jöns Jacob Berzelius

Alluminio 13 1825 Hans Christian Ørsted

Bromo 35 1826 Antoine Jerome Balard

Torio 90 1828 Jöns Jacob Berzelius

Vanadio 23 1830 Nils Gabriel Sefström

Lantanio 57 1839 Carl Mosander

Terbio 65 1843 Carl Mosander

Erbio 68 1843 Carl Mosander

Rutenio 44 1844 Karl Klaus

Cesio 55 1860Robert Wilhelm Bunsen eGustav Robert Kirchhoff

Rubidio 37 1860Robert Wilhelm Bunsen eGustav Robert Kirchhoff




Fino al XIX Sec. la Chimica organica era ritenuta una disciplina a sé stante; si riteneva che la natura, dal puntodi vista chimico, avesse due «anime», una inorganica e l’altra organica. La Chimica inorganica riguardava le so-stanze di provenienza minerale, mentre quella organica era la Chimica delle sostanze di provenienza animale evegetale. Le sostanze organiche avevano così uno status particolare, indipendente da quelle inorganiche. Anchequesto mito crollò quando, nel 1828, il chimico tedesco Fredrich Wöler realizzò una reazione rivoluzionaria:


Tallio 81 1861 William Crookes

Indio 49 1863Ferdinand Reich e Hierony-

mous Theodor Richter

Elio 2 1868 Lockyer e Jansen

Gallio 31 1875Paul Emile Lecoq de Boisbaudran

Olmio 67 1879 Theodor Cleve

Tulio 69 1879 Theodor Cleve

Scandio 21 1879 Lars Frederik Nilson

Itterbio 70 1879 Lars Frederik Nilson

Samario 62 1880Paul Emile Lecoq de Boi-

sbaudran

Gadolinio 64 1880 Jean de Marignac

Praseodimio 59 1885 Carl Auer von Welsbach

Neodimio 60 1885 Carl Auer von Welsbach

Germanio 32 1885 Clemens Winkler

Fluoro 9 1886Ferdinand Frederic

Henri Moissan

Disprosio 66 1886Paul Emile Lecoq de Boisbaudran

Argon 18 1894John William Strutt

Rayleigh e William Ramsay

Kripton 36 1898William Ramsay e

Morris William Travers

Neon 10 1898William Ramsay e


Xeno 54 1898William Ramsay e


Polonio 84 1898 Pierre Curie e Marie Curie

Radio 88 1898Pierre Curie, Marie Curie e

Gustave Bemont

Attinio 89 1899 André Luis Debierne


Partendo dai composti inorganici cianato di piombo, acqua e ammoniaca egli sintetizzò l’uurea, che vieneprodotta naturalmente dai mammiferi come prodotto finale del metabolismo proteico. Nacque così la CChi-mica organica moderna. Negli anni ‘30 del XIX Sec. l’inglese Michael Faraday espose le due leggi sul fenomeno elettrochimico del-l’eelettrolisi, le quali affermano che le quantità di sostanze che si scaricano agli elettrodi di una cella elet-trolitica sono proporzionali alla quantità di corrente che attraversa il circuito. Ancora una volta l’aspettoquantitativo riveste un carattere di fondamentale importanza nella ricerca scientifica.Gli studi di Faraday sono una pietra miliare nella storia della Chimica, in quanto per la prima volta si ponein relazione la carica che attraversa un circuito elettrolitico e la materia che si scarica agli elettrodi: un’al-tra prova della nnatura elettrica della materia.Nel 1852 il chimico inglese Edward Frankland definì il concetto di vvalenza come la capacità di un atomodi legarsi a un numero ben definito di atomi di idrogeno. Nel 1860 Robert Wilhelm Bunsen e Gustav Robert Kirchhoff realizzarono lo sspettroscopio, uno strumentocapace di scomporre la luce di emissione degli elementi chimici e di mostrare il loro inconfondibile sspet-tro di emissione.Si scoprirono così numerosi elementi fino ad allora sconosciuti, e nacque la tecnica analitica detta sspet-troscopia. La seconda metà del XIX Sec. vide la scoperta delle strutture molecolari di sostanze organiche; il tedescoFriedrich August Kekulé von Stradonitz dimostrò la tetravalenza del carbonio e nel 1865 rappresentò lamolecola del benzene con un’avveniristica struttura esagonale cicloesatrienica:

Nel 1869 il russo Dmitrij Ivanovi Mendeleev formula la prima tavola periodica degli elementi nella qualegli elementi chimici erano ordinati secondo il loro peso atomico. Mendeleev dimostrò come raggruppandogli elementi si notava come questi mostravano comportamenti chimici affini. La fine del XIX Sec. è caratterizzata dagli studi termodinamici di Gibbs sull’entropia e sull’energia libera inuna reazione chimica (1876), dagli studi sulla dissociazione elettrolitica, dalla teoria acido base di SvanteAugust Arrhenius e dagli studi sulla catalisi chimica di Friedrich Wilhelm Ostwald. Ma la scoperta di maggior rilievo è quella di una particella subatomica: l’eelettrone, scoperto nel 1897 daJohn Joseph Thomson grazie a degli esperimenti realizzati mediante tubi catodici. Il grande significato diquesta scoperta appare evidente: si era dimostrato in maniera incontrovertibile che ll’atomo non è indivi-sibile. Thomson dimostrò inoltre la neutralità della materia e formulò il modello atomico detto «aa panet-tone»Il Secolo si chiude con la scoperta, nel 1896, della rradioattività naturale di un minerale di uranio da partedi Antoine Henry Becquerel e dei coniugi Pierre Curie e Marie Sklodowska Curie.

Pb(OCN)2 + 2H2O + 2NH3 � 2H2NCONH2 + Pb(OH)2

Cianato di piombo ammoniaca idrossido di piombo

acqua urea



6. Il ‘900

Il XX Sec. si apre con la tteoria dei quanti di Max Planck (1900), il quale dimostrò che la materia e l’ener-gia interagiscono a livello atomico e subatomico in modo discontinuo attraverso pacchetti energetici dettiquanti, ed è in questo Secolo che l’uomo comprende finalmente la sstruttura atomica della materia. Nel 1902 Frederick Soddy scoprì che gli elementi chimici non esistono solo in una forma ma possono averemasse diverse, e chiamò questi elementi iisotopi.

SEGUE


Radon 86 1900Fredrich Ernst Dorn; Ernest Ru-

therford e Robert Owens

Europio 63 1901 Eugene Demarcay

Lutezio 71 1907 Georges Urbain

Protoattinio 91 1917Lise Meitner e Otto Hahn; Fre-drich Soddy e John Cranston,

Afnio 72 1923Dirk Coster e George Charles von Hevesy

Renio 75 1925Walter Noddack, Ida Eva Tacke e

Otto Berg

Francio 87 1939 Marguerite Catherine Perey

Tecnezio 43 1939Carlo Perrier,

Emilio Gino Segrè

Nettunio 93 1940Edwin Mattison McMillan e Philip

Hauge Abelson

Astato 85 1940Dale Raymond Corson, Kenneth

Ross Mackenzie, Emilio Gino Segrè

Figura 10 Dmitrij IvanovicMendeleev (1834 – 1907)

Figura 11 John Joseph Thomson(1856 – 1940)

Figura 12 Marie Sklodowska Curie(1867 – 1935)



Nel 1906 Ernest Rutherford dimostrò che l’atomo è composto da unpiccolissimo nnucleo super denso che porta al suo interno la carica po-sitiva, con gli elettroni che ruotano attorno ad esso. Il risultato di que-sti studi fu il mmodello atomico planetario.Nel 1911 Robert Millikan misurò la carica dell’elettrone e da questo va-lore evinse che la massa di questa particella è 1.836 volte più piccoladella massa delle particelle dei raggi canale, osservati nel 1886 daEugen Goldstein mediante esperimenti realizzati nei tubi catodici.Nel 1912 Nils Bohr applicò la teoria dei quanti all’atomo di idrogeno eformulò per l’elettrone orbitante attorno al nucleo i concetti di oorbitastazionaria, nnumero quantico principale n e llivello energetico. Suc-cessivamente Arnold Sommerfeld ed altri studiosi spiegarono la disposi-zione spaziale degli elettroni di atomi più complessi e introdussero ulteriorinumeri quantici: aangolare (l), mmagnetico (m) e mmagnetico di spin (ms).


Plutonio 94 1940Glenn Theodore Seaborg, EdwinMattison McMillan, Arthur Charles

Wahl, Joseph William Kennedy

Americio 95 1944Glenn Theodore Seaborg, RalphArthur James, Leon Owen Mor-

gan, Albert Ghiorso

Curio 96 1944Glenn Theodore Seaborg, Ralph

Arthur James, Albert Ghiorso

Promezio 61 1945Jacob A. Marinsky, Lawrence

Elgin Glendenin, Charles Coryell

Berkelio 97 1949Stanley Gerald Thompson, AlbertGhiorso, Glenn Theodore Seaborg

Californio 98 1949Stanley Gerald Thompson, Ken-nerth Street Jr., Albert Ghiorso,

Glenn Theodore Seaborg

Einsteinio 99 1954Gregory Robert Choppin, StanleyGerald Thompson, Bernard Ge-

orge Harvey, Albert Ghiorso

Fermio 100 1954Gregory Robert Choppin, StanleyGerald Thompson, Bernard Ge-

orge Harvey, Albert Ghiorso

Mendelevio 101 1955

Gregory Robert Choppin, StanleyGerald Thompson, Bernard Ge-

orge Harvey, Albert Ghiorso,Glenn Theodore Seaborg

Nobelio 102 1958Torbjørn Sikkeland, John Richard

Walton, Albert Ghiorso, GlennTheodore Seaborg

Laurenzio 103 1961Albert Ghiorso, Torbjørn Sikkeland,Almon E. Larsh, Robert M. Latimer

Figura 13 Ernest Rutherford of Nel-son (1871 – 1937)



Nel 1913 Henry Moseley, studiando le emissioni dei raggi X di moltielementi, scoprì che queste emissioni sono correlate con multipli in-teri della carica positiva fondamentale (il pprotone). Moseley chiamòqueste quantità nnumero atomico e riordinò la tavola periodica diMendeleev in funzione di questa quantità: la tavola periodica prendela forma attuale.Nel 1914 Rutherford propose che l’unità di carica elettrica positiva piùpiccola fosse quella della particella dei raggi canale osservati da Gol-dstein, e nel 1920 propose il nome di pprotone per questa particella. Nel 1916 Albrecht Kossel e Gilbert Lewis formularono indipendente-mente l’uno dall’altro la teoria elettronica di valenza e il concetto di ot-tetto elettronico di riferimento del legame covalente.Nel 1925 Wolfgang Pauli affermò il pprincipio di esclusione il qualeesclude appunto la possibilità che in un atomo coesistano due elettronicon tutti e quattro i numeri quantici uguali.Nel 1927 Werner Heisenberg formulò il pprincipio di indeterminazionecol quale si esclude la possibilità di misurare contemporaneamente ve-locità e posizione di una particelladelle dimensioni atomiche. Finisce

l’epoca delle certezze di inizio secolo e tutta la scienza da determini-stica diviene iindeterministica e probabilistica. La fine degli anni ‘20 vede l’elaborazione dell’eequazione della mecca-nica ondulatoria di Edwin Schrödinger (secondo cui l’elettrone esistesia come particella dotata di massa che come onda) e la scoperta delneutrone da parte di James Chadwick.L’equazione d’onda rappresenta l’elettrone nello spazio e il moto dellaparticella attorno al nucleo si esplica in degli spazi probabilistici dettiorbitali e non più nelle deterministiche orbite di Bohr.Nel 1928 Linus Pauling introdusse le teorie dell’iibridizzazione degliorbitali atomici e della rrisonanza.Negli anni ‘30 e ‘40 si compiono passi da gigante nella comprensionedella struttura molecolare. Questi stessi anni sono caratterizzati daglistudi sui processi nucleari di fissione (con il famosissimo esperimentodi Enrico Fermi che porterà alla costruzione della prima bomba ato-mica) e dall’intuizione di Seaborg circa l’esistenza degli elementi lan-tanidi e attinidi di transizione interna: la tavola periodica prende la suaforma definitiva.Gli anni successivi alla SecondaGuerra Mondiale videro lo svi-luppo vertiginoso di tutte lescienze, che ormai non agivano acompartimenti stagni come nelpassato, ma erano sempre più in-terconnesse. Tra le scoperte più importanti ci-tiamo la ssintesi della penicillinada parte del biochimico ErnstChain, il mmodello a doppia elicadel DNA di Watson e Crick(1953), e la scoperta dei cataliz-zatori responsabili della produ-zione di polimeri plastici (1954)da parte di Karl Ziegler e GiulioNatta.

Figura 16 Linus Pauling (1901 –1994)

Figura 17 Giulio Natta (1903 –1979)

Figura 15 Werner Karl Heisenberg(1901 – 1976)

Figura 14 Henry Moseley (1887 –1915)


Il volume è strutturato in tre aree di studio.Nell’area Scienze chimiche la materia viene affrontata inizialmente da un punto di vista storico, partendodagli albori dell’alchimia fino ad arrivare alle più recenti teorie. Sono poi spiegate le diverse branchein cui si articola la Chimica, con un occhio di riguardo al Laboratorio.Nell’area Materiali si affronta l’aspetto «industriale»: vengono spiegati macchinari, processi e simbologieutili per un approccio ragionato alla Chimica industriale.Nell’area Biotecnologie vengono affrontati argomenti di importanza basilare: aria, acqua e suolo erelative problematiche connesse all’inquinamento; interrelazioni tra la Chimica e gli esseri umani dalpunto di vista anatomico, patologico ed alimentare.

Chimica, materiali e biotecnologie

Piano dell’opera

Introduzione alla ChimicaIl laboratorio di Chimica La Chimica analitica La Chimica organica La Biochimica

PercorsoPercorsoPercorsoPercorsoPercorso

12345

Tecnologie chimiche industrialiPercorso 1

Area 1 Scienze chimiche

Area 2 Materiali

Biotecnologie ambientaliBiotecnologie sanitarie

PercorsoPercorso

12

Area 3 Biotecnologie


Teresa

Timbro

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